När det kommer till saker som är ultrasnabba och lätta, robotar kan inte hålla ett ljus för de snabbast hoppande insekterna och andra små men kraftfulla varelser.

Ny forskning kan hjälpa till att förklara varför naturen fortfarande slår robotar, och beskriver hur maskiner kan ta ledningen.

Ta den smashing mantisräkan, ett litet kräftdjur inte mycket större än en tumme. Dess hammarliknande mundelar kan upprepade gånger leverera 69 mil i timmen mer än 100 gånger snabbare än ett ögonblick för att bryta upp hårda snigelskal.

Eller den anspråkslösa fällmyran:I en matchning från noll till 60, även den snabbaste dragster skulle ha liten chans mot sina knäppande mandibler, som når hastigheter på mer än 140 miles per timme på mindre än en millisekund för att fånga sitt byte.

En av de snabbaste accelerationerna som är kända på jorden är hydrans sting. Dessa mjuka vattenlevande varelser försvarar sig med hjälp av kapslar längs sina tentakler som fungerar som trycksatta ballonger. När den utlöses, de avfyrar en störtflod av mikroskopiska giftspjut som kort accelererar 100 gånger snabbare än en kula.

I en studie som ska visas den 27 april i tidskriften Vetenskap , forskare beskriver en ny matematisk modell som kan hjälpa till att förklara hur dessa och andra små organismer genererar sina kraftfulla slag, chomps, hopp och slag. Modellen kan också föreslå sätt att designa små, naturinspirerade robotar som kommer närmare sina biologiska motsvarigheter vad gäller kraft eller hastighet.

Hemligheten bakom dessa organismers explosiva rörelser är inte kraftfulla muskler, utan snarare fjäderbelastade delar kan de luta och släppa som en bågskytt, sa Sheila Patek, docent i biologi vid Duke University.

Tuffa men flexibla senor, nagelband och andra elastiska strukturer sträcker sig och släpper som slangbellor, driver sina hopp och snäpp.

En kortbent insekt som kallas grodhoppan, till exempel, har en bågeliknande struktur som kallas pleuralbågen som fungerar som en fjäder. Spärrliknande utsprång på deras ben kontrollerar dess frigöring, vilket gör att de kan hoppa mer än 100 gånger sin kroppslängd trots sina korta ben. En person med så mycket kraft kunde hoppa nästan två fotbollsplaner.

Dock, det är inte klart hur dessa mekanismer samverkar för att öka kraften, sa Mark Ilton, en postdoktor vid University of Massachusetts Amherst.

Medan traditionella matematiska prestationsmodeller tar hänsyn till musklernas inneboende fysiska avvägningar – som kan dra ihop sig kraftigt, eller snabbt, men inte båda - de misslyckas med att ta hänsyn till de kompromisser som är inneboende med fjädrar och spärrliknande mekanismer också. Med andra ord, inget kan vara snabbare, starkare, och kraftfullare på samma gång.

"Tills nu har dessa andra komponenter mestadels varit svarta boxade, sa Patek.

Forskarna utvecklade en matematisk modell för snabb rörelse i små skalor som innehåller begränsningar på fjädrar och spärrar.

"En del av vårt mål var att försöka utveckla en modell som är lika generaliserbar till biologiska eller tekniska system, " sa Manny Azizi, en biträdande professor i ekologi och evolutionsbiologi vid University of California, Irvine som studerar hoppande grodor.

Först, de sammanställde data om storlek och topphastigheter och accelerationer för 104 arter av elitidrottare för växter och djur. De jämförde data med liknande mätningar för miniatyrrobotar inspirerade av ultrasnabba rörelser som att veckla ut kameleontungor, knäppa Venus flugfällor och hoppande insekter.

Genom att införliva prestandaavvägningarna för biologiska och syntetiska fjädrar och spärrar, forskarna hoppas kunna bättre förstå hur variabler som fjädermassa, styvhet, materialsammansättning och spärrgeometri samverkar med muskler eller motorer för att påverka kraften.

Modellen låter forskare lägga in en uppsättning fjäder, låsa och muskel- eller motoriska parametrar och få tillbaka detaljer om en individs teoretiska maximala hastighet, acceleration, och andra aspekter av prestanda vid en given vikt.

Modellen har stora konsekvenser för ingenjörer. Det tyder på att robotar ännu inte kan hoppa över en loppa delvis eftersom så snabbt, repeterbara rörelser kräver att komponenterna är utsökt finjusterade till varandra.

Men modellen ger forskare ett verktyg för att designa små, snabbrörliga robotar med mer exakt matchade komponenter som fungerar bättre tillsammans för att förbättra prestandan, sa Sarah Bergbreiter, en docent i maskinteknik vid University of Maryland som gör hoppande robotar lika stora som en myra.

"Om du har en robot i speciell storlek som du vill designa, till exempel, det skulle tillåta dig att bättre utforska vilken typ av vår du vill ha, vilken typ av motor du vill ha, vilken typ av spärr du behöver för att få bästa prestanda i den storleksskala, och förstå konsekvenserna av dessa designval, sa Bergbreiter.

För biologer, modellen kan också användas för att fastställa de övre och nedre viktgränserna för olika grupper av vårdrivna organismer, givna variabler som vilka elastiska material deras kroppar är gjorda av, sa Azizi.